Khí thực
KHÍ THỰC TRONG MÁY BƠM CÁNH QUẠTHIỆN TƯỢNG KHÍ THỰC VÀ NGUYÊN NHÂN PHÁT SINH Hiện tượng khí thực trong dòng chất lỏng phát sinh trong trường hợp, khi áp suất thủy tĩnh ở một vùng nào đó ( p size 12{p} ...
KHÍ THỰC TRONG MÁY BƠM CÁNH QUẠTHIỆN TƯỢNG KHÍ THỰC VÀ NGUYÊN NHÂN PHÁT SINH
Hiện tượng khí thực trong dòng chất lỏng phát sinh trong trường hợp, khi áp suất thủy tĩnh ở một vùng nào đó ( p size 12{p} {}) của dòng chảy giảm đến bằng hoặc nhỏ hơn áp suất hóa hơi ( phh size 12{p rSub { size 8{ ital "hh"} } } {}). Đối với nước thường, áp suất hóa hơi thực tế chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ và không vượt quá 0,4 m cột nước đối với nhiệt độ t 300C. Ở nơi áp suất giảm thấp này chất lỏng bị sôi và xuất hiện túi hổng chứa đầy hơi nước và khí, ta gọi là bọt khí. Bọt khí này bị kéo theo dòng chất lỏng đến vùng có áp suất thủy tĩnh cao hơn áp suất hóa hơi thì hơi nước trong các bọt khí đột ngột ngưng tụ lại, tạo nên độ chân không sâu và chất lỏng xung quanh có xu thế lao vào tâm bọt khí để chiếm chỗ. Quá trình xâm thực lặp đi lặp lại trong lòng chất lỏng. Tốc độ lao vào tâm bọt khí của các hạt chất lỏng đủ cao, bởi vậy kéo theo va đập thủy lực cục bộ gây nên tiếng ồn và rung động. Ở nơi xảy ra khí thực áp suất có thể đạt hàng nghìn át mốt phe và làm tăng tổn thất thủy lực dòng chảy. Nếu các bọt khí bị phá vỡ cạnh bề mặt tiếp xúc thì do va đập thủy lực cục bộ với tần số cao sau một thời gian sẽ bắt đầu phá hoại bề mặt tiếp xúc của bơm, hình thành những "nêm thủy lực" bóc bề mặt vật liệu làm bơm ( xem Hình 5 - 1,a ).
Hình 5 - 1. Sơ đồ khí thực phá hoại bề mặt tiếp xúc.
Một lượng nhỏ chất khí tách ra từ chất lỏng vào bọt khí do quá trình tiếp xúc quá nhanh không kịp hòa tan, do vậy chất khí bị nén và do nhiệt độ tăng đột ngột phát sinh quá trình điện phân ... Tất cả những nguyên nhân trên dẫn tới phát sinh các tác nhân cơ học, điện phân, nhiệt và hóa học tăng tác động phá hoại của khí thực đối với bề mặt tiếp xúc giữa thành máy bơm và chất lỏng. Bề mặt thành máy bơm bị rỗ, nặng hơn nữa sẽ bị thủng lổ chỗ. Hình thức phá hoại này gọi là " sự ăn mòn khí thực ".
Từ phân tích nguyên nhân của sự ăn mòn khí thực ở trên ta nhận thấy rằng tác dộng phá hoại của khí thực có thể giảm nhỏ nếu dùng vật liệu chế tạo máy bơm có độ bền về hóa học cao, vật liệu có tính đàn hồi và dẻo cao và gia công bề mặt tiếp xúc nhẵn .
Trong máy bơm cánh quạt, khí thực xảy ra ở vùng qua nước, ở những nơi áp suất thủy tĩnh trong chất lỏng đạt trị số nhỏ nhất đó là: mặt sau rãnh cửa vào ( điểm A, Hình 5 - 1,b ) khe cánh BXCT, sau điểm A áp suất sẽ tăng lên nhờ áp lực từ cánh quạt truyền cho chất lỏng nên khả năng khí thực giảm dần. Trong máy bơm li tâm, vùng thường có khả năng khí thực là cánh quạt và đĩa BXCT, trong máy bơm hướng trục thường xảy ra ở phần trong vỏ máy và đặc biệt ở phía sau mút cánh . Khi khí thực phát sinh thường làm thay đổi ( thường giảm ) cột nước, công suất yêu cầu và hiệu suất của bơm. Khi hiện tượng khí thực phát sinh mạnh chế độ làm việc của bơm sẽ bị phá hoại. Khí thực trong máy bơm kéo theo tiếng ồn và làm rung máy.
Hình 5 - 2. Các bánh xe cánh quạt bị khí thực phá hoại.
Điều kiện xảy ra khí thực tại một nơi nào đó là áp suất tại đó nhỏ hơn hoặc bằng áp suất hóa hơi. Như vậy việc nghiên cứu khí thực đưa về việc nghiên cứu những nguyên nhân dẫn tới việc làm giảm áp lực. Đo áp suất ở cánh máy bơm từ cửa vào đến cửa ra người ta nhận thấy áp suất tại điểm N ở cửa vào BXCT có áp suất nhỏ nhất. Tuy nhiên do phạm vi N rất hẹp, chất lỏng vượt qua quá nhanh, không kịp hình thành những bọt khí, do vậy khả năng phát sinh khí thực tại K sẽ nhiều hơn, tuy rằng áp suất tại K đo được lớn hơn tại A. Vì rằng áp suất tại K là nhỏ nhất đủ để phát sinh ra hiện tượng khí thực, cho nên ta coi pk = pmim ( xem Hình 5 - 3 ). Viết phương trình Becnully cho 0-0 và K ta có:
Hình 5 - 3.
p a g = p k g ¸ C k 2 2g ¸ ( h s k ¸ h msh ¸ h msvk ) size 12{ {} rSup { size 8{ { { { size 10{p} } rSub { size 6{a} } } over {g} } = { { { size 10{p} } rSub { size 6{k} } } over {g} } ¸ { { { size 10{C} } rSub { size 6{k} } rSup { size 6{2} } } over {2g} } ¸ ( { size 10{h} } rSub { size 6{s} } rSup { size 6{k} } ¸ { size 10{h} } rSub { size 6{ ital "msh"} } ¸ { size 10{h} } rSub { size 6{ ital "msvk"} } ) } } } {}
Trong đó : hmsh size 12{ { size 24{h} } rSub { size 8{ ital "msh"} } } {}là tổn thất thủy lực trong ống hút;
hmsvk size 12{ { size 24{h} } rSub { size 8{ ital "msvk"} } } {} là tổn thất thủy lực từ cửa vào đến điểm K;
Ck size 12{ { size 24{C} } rSub { size 8{k} } } {} là vận tốc dòng chảy tại điểm K.
Chuyển vế công thức trên ta có áp suất tại điểm K ta cần nghiên cứu:
pkg=pag−Ck22g−hsk−hmsh−hmsvk size 12{ {} rSup { size 8{ { { { size 10{p} } rSub { size 6{k} } } over {g} } = { { { size 10{p} } rSub { size 6{a} } } over {g} } - { { { size 10{C} } rSub { size 6{k} } rSup { size 6{2} } } over {2g} } - { size 10{h} } rSub { size 6{s} } rSup { size 6{k} } - { size 10{h} } rSub { size 6{ ital "msh"} } - { size 10{h} } rSub { size 6{"msvk"} } } } } {} ( 5 - 1 )
Phân tích ( 5 - 1 ) có thể rút ra được những nhân tố gây nên gỉam áp suất tại K:
- Nơi đặt máy bơm càng cao so với mực nước biển ( tức cao trình đặt máy đm) hoặc nhiệt độ môi trường cao thì áp suất khí quyển pa size 12{ { size 24{p} } rSub { size 8{a} } } {} sẽ giảm, tức là trạm bơm ở miền núi dễ có nguy cơ bị khí thực hơn trạm bơm ở miền đồng bằng.
- Vận tốc dòng chảy Ck size 12{ { size 24{C} } rSub { size 8{k} } } {} qua máy bơm càng lớn do vòng quay tăng, cột nước vận hành thấp cũng là nguyên nhân gây giảm áp suất .
- Độ cao đặt máy bơm càng cao so với mực nước bể hút cũng là nguyên nhân gây giảm áp suất trong máy bơm. Việc hạ cao trình đm càng thấp càng có lợi về khí thực.
- Tổn thất ống hút hmsh size 12{ { size 24{h} } rSub { size 8{ ital "msh"} } } {} càng lớn càng có nguy cơ sinh hiện tượng khí thực.
- Thiết kế dạng cánh và gia công bề mặt tiếp xúc với dòng chảy thích hợp sẽ giảm nguy cơ giảm áp và giảm nguy cơ khí thực.
- Trong vận hành nếu hãm máy đột ngột hay đổi hướng dòng chảy sẽ phát sinh nước va thủy lực làm tách dòng khỏi cánh cũng dễ phát sinh khí thực.
- Khi máy làm việc phát sinh rung động cũng gây tách dòng tạo bọt khí. Bọt khí vỡ tăng giảm áp lực có chu kỳ, tăng tần số gây nên khí thực càng ác liệt hơn.
Những kết luận rút ra được ở trên cần chú ý áp dụng trong thiết kế, vận hành máy bơm để tránh hoặc ngăn ngừa hiện tượng khí thực.
Những dấu hiệu và tác hại của hiện tượng khí thực
Khi vận hành trạm bơm, nhất là vận hành ở trạng thái khác với trạng thái thiết kế, nếu nghe có tiếng nổ dòn, máy bị rung động là có thể có khí thực phát sinh, vì rằng khi có hiện tượng khí thực các bọt khí ngưng tụ lại nên phát sinh tiếng ồn. Nếu nghe thấy tiếng nổ có chu kỳ tức là các bọt khí nhỏ hợp thành các bọt khí lớn.
Khi mở máy ra quan sát, nếu thấy các bộ phận qua nước bị rỗ tổ ong, có nghĩa là hiện tượng khí thực đã gây phá hoại bề mặt các bộ phận đó, thường các mặt phía sau cánh bị rỗ nặng hơn. Khi Q > Qtk thì có thể rỗ cả mặt trước của cánh. Những nơi thường bị rỗ nhất là: mép ra cánh, khe hở giữa cánh và vỏ, mặt cánh nơi tách dòng với vận tốc tương đối W. Khi vận hành lưu lượng quá lớn trong thời gian dài thì ngay phần vỏ xoắn cũng có thể bị rỗ.
Trong vận hành còn có dấu hiệu : Khi bơm lâm vào khí thực thì do chất lỏng phát sinh bọt khí làm cho cột nước giảm. Bọt khí nhiều dễ sinh tách dòng . Lúc này cả H, N, đều giảm. Tuy nhiên tùy thuộc vào tỷ tốc mà độ giảm có mức độ khác nhau: Ở bơm li tâm tỷ tốc thấp, vì khe cánh hẹp do vậy khi phát sinh khí thực thì khí thực sẽ nhanh chóng phát triễn toàn khe, dẫn tới H, N, giảm nhanh ở một lưu lượng nào đó. Ở máy bơm hướng trục, tỷ tốc cao, do khe cánh quá rộng do vậy khí thực chỉ có ở một phần tiết diện qua nước, do vậy H, N, giảm từ từ, không có điểm gián đoạn như bơm li tâm vì vậy khó phát hiện hơn. Tuy nhiên khi phát sinh khí thực thì đường đặc - Q giảm trước hai đường H - Q và N - Q, do vậy thường bơm hướng trục dùng việc giảm đường - Q để nhận biết sự xuất hiện của hiện tượng khí thực.
Các biện pháp phòng ngừa hiện tượng khí thực.
Việc phòng ngừa hiện tượng khí thực phải được tiến hành ở mọi giai đoạn.
Trong việc chế tạo máy bơm, để tăng khả năng kháng chịu của máy bơm khi có xảy ra khí thực, người sử dụng thép không rỉ có hàm lượng crôm từ 12 ... 14% và kền từ 0,5 ...0,8%. Thiết kế dạng cánh hợp lý, mặt sau cánh có sự giảm áp lực đồng đều, không giảm đột ngột. Góc β1 size 12{ { size 24{β} } rSub { size 8{1} } } {} ở cửa vào có gía trị nhỏ để độ dự trữ khí thực yêu cầu sẽ nhỏ do đó ít có khả năng phát sinh khí thực hơn. Dòng chảy vào BXCT không làm ngoặt đột ngột. Dùng bơm li tâm hai cửa vào để giảm vận tốc hoặc mở rộng đường kính vào D1, nhưng việc mở rộng này không nên làm cho tỷ số D2/D1 quá nhỏ để chiều dài khe cánh không quá nhỏ mới không sinh khí thực.
Về thiết kế công trình: Không chọn hs size 12{ { size 24{h} } rSub { size 8{s} } } {} quá cao so với bể hút , nhưng cũng không chọn quá thấp để tránh xây lắp khối lượng lớn không kinh tế. Đối với máy bơm nhỏ có thể tăng đường kính và giảm chiều dài ống hút, giảm số lượng chỗ ngoặt, nên bỏ van trên ống hút để dòng chảy phân bố đều ... nhằm giảm tổn thất hmsh size 12{ { size 24{h} } rSub { size 8{ ital "msh"} } } {}. Đối với bơm hướng trục lớn việc chọn hình thức và kích thước ống hút, buồng hút hợp lý cũng là một biện pháp chống khí thực .
Trong giai đoạn vận hành: Cho máy chạy phải đảm bảo độ cao hút nước nhỏ hơn độ cao hút nước cho phép. Khi mực nước trong bể hút thấp hơn mực nước cho phép thì phải dừng ngay máy. Tìm biện pháp giảm tổn thất thủy lực trong ống hút và bể hút. Có thể nghiên cứu việc dùng van phá chân không để phá khí thực. Tuy nhiên việc phá chân không có thể làm giảm khả năng hút của máy bơm mà việc chống khí thực chưa chắc có tác dụng tốt.
Độ cao đặt máy bơm (đm ) phải thỏa mãn yêu cầu về kỹ thuật là phòng tránh khí thực và phải thỏa mãn yêu cầu kinh tế là khối đào đắp phải không lớn. Quy định chọn cao trình đm ở nơi phát sinh khí thực nguy hiểm nhất đối với từng loại bơm và phương thức đặt máy bơm, cụ thể như Hình ( 5 - 4 ) sau đây:
Hình 5 - 4. Vị trí đm theo từng loại máy bơm.
Qua hình vẽ trên ta nhận thấy đm cũng chính là độ cao hút địa hình hs size 12{ { size 24{h} } rSub { size 8{s} } } {}, để an toàn lấy hs size 12{ { size 24{h} } rSub { size 8{s} } } {} [ hs size 12{ { size 24{h} } rSub { size 8{s} } } {}] trong công thức ( 5 - 2 ), cao trình đặt máy bơm :
đm = Zbh size 12{ { size 24{Z} } rSub { size 8{ ital "bh"} } } {} + [ hs size 12{ { size 24{h} } rSub { size 8{s} } } {}] ( 5 - 2 )
trong đó [ hs size 12{ { size 24{h} } rSub { size 8{s} } } {}] có thể lấy dấu dương hoặc âm tùy điều kiện cụ thể. Để xác điịnh [ hs size 12{ { size 24{h} } rSub { size 8{s} } } {}] thường có hai cách, sẽ được trình bày sau đây:
Tính độ cao hút theo độ chân không cho phép [ Hck size 12{ { size 24{H} } rSub { size 8{ ital "ck"} } } {}].
Viết phương trình Becnully cho hai mặt cắt 0 - 0 và B - B ( xem Hình 5 - 3,a ):
pag=hs+pbg+Cb22g+hmsh size 12{ { { { size 24{p} } rSub { size 8{a} } } over {g} } = { size 24{h} } rSub { size 8{s} } + { { { size 24{p} } rSub { size 8{b} } } over {g} } + { { { size 24{C} } rSub { size 8{b} } rSup { size 8{2} } } over {2g} } + { size 24{h} } rSub { size 8{ ital "msh"} } } {}, trong đó hmsh size 12{ { size 24{h} } rSub { size 8{ ital "msh"} } } {} là tổn thất thủy lực trong ống hút.
Chuyển vế công thức trên ta có : hs=pa−pbg−hmsh−Cb22g size 12{ { size 24{h} } rSub { size 8{s} } = { { { size 24{p} } rSub { size 8{a-{}} } { size 24{p} } rSub { size 8{b} } } over {g} } - { size 24{h} } rSub { size 8{ ital "msh"} } - { { { size 24{C} } rSub { size 8{b} } rSup { size 8{2} } } over {2g} } } {}, vì Hck=pa−pbg size 12{ { size 24{H} } rSub { size 8{ ital "ck"} } = { { { size 24{p} } rSub { size 8{a-{}} } { size 24{p} } rSub { size 8{b} } } over {g} } } {} vậy
hs=Hck−hmsh−Cb22g size 12{ { size 24{h} } rSub { size 8{s} } = { size 24{H} } rSub { size 8{ ital "ck"} } - { size 24{h} } rSub { size 8{ ital "msh"} } - { { { size 24{C} } rSub { size 8{b} } rSup { size 8{2} } } over {2g} } } {} , ( * )
Khi Hck size 12{ { size 24{H} } rSub { size 8{ ital "ck"} } } {} đạt tới giới hạn cho phép [Hck] size 12{ [ { size 24{H} } rSub { size 8{ ital "ck"} } ] } {}thì độ cao hút hs size 12{ { size 24{h} } rSub { size 8{s} } } {}cũng đạt đến độ hút cho phép [ hs size 12{ { size 24{h} } rSub { size 8{s} } } {}]. Vậy thay vào ( * ) ta có:
[ hs]=[Hck]−hmsh−Cb22g size 12{ { size 24{h} } rSub { size 8{s} } ] = [ { size 24{H} } rSub { size 8{ ital "ck"} } ] - { size 24{h} } rSub { size 8{ ital "msh"} } - { { { size 24{C} } rSub { size 8{b} } rSup { size 8{2} } } over {2g} } } {}( 5 - 3 )
Độ cao [ Hck] size 12{ { size 24{H} } rSub { size 8{ ital "ck"} } ] } {}có thể tra trên đường đặc tính của máy bơm. Sử dụng trị số này từ đường đặc tính cần chú ý hiệu chỉnh cho phù hợp với thực tế vì rằng thí nghiệm mô hình đã tiến hành trong điều kiện chuẩn: với cột áp khí quyển Ha=pag=10 size 12{ { size 24{H} } rSub { size 8{a} } = { { { size 24{p} } rSub { size 8{a} } } over {g} } ="10"} {} mét cột nước, nhiệt độ không khí nơi thí nghiệm t = 200C ( Hhh=phhg=0,24 size 12{ { size 24{H} } rSub { size 8{ ital "hh"} } = { { { size 24{p} } rSub { size 8{ ital "hh"} } } over {g} } =0,"24"} {}mét cột nước ) và vòng quay máy bơm thí nghiệm bằng vòng quay định mức ( ntk size 12{ { size 24{n} } rSub { size 8{ ital "tk"} } } {}). Cách hiệu chỉnh như sau:
Trong công thức ( 5 -3 ) khi hiệu chỉnh thay [ Hck] size 12{ { size 24{H} } rSub { size 8{ ital "ck"} } ] } {}bởi kí hiệu [ Hck'] size 12{ { size 24{H} } rSub { size 8{ ital "ck"} } rSup { size 8{'} } ] } {}:
- Khi Ha size 12{ { size 24{H} } rSub { size 8{a} } } {} 10 m thì: [ Hck']=[Hck]−10¸Ha size 12{ { size 24{H} } rSub { size 8{ ital "ck"} } rSup { size 8{'} } ] = [ { size 24{H} } rSub { size 8{ ital "ck"} } ] -"10"¸ { size 24{H} } rSub { size 8{a} } } {};
- Khi Ha size 12{ { size 24{H} } rSub { size 8{a} } } {} 10 m và t 200C thì: [ Hck']=[Hck]−10¸Ha¸0,24−Hhh size 12{ { size 24{H} } rSub { size 8{ ital "ck"} } rSup { size 8{'} } ] = [ { size 24{H} } rSub { size 8{ ital "ck"} } ] -"10"¸ { size 24{H} } rSub { size 8{a} } ¸0,"24"- { size 24{H} } rSub { size 8{ ital "hh"} } } {};
- Khi n ntk size 12{ { size 24{n} } rSub { size 8{ ital "tk"} } } {} thì: [ Hck']=Ha−(Ha−[Hck])(nntk)2 size 12{ { size 24{H} } rSub { size 8{ ital "ck"} } rSup { size 8{'} } ] = left lbrace { size 24{H} } rSub { size 8{a} } - ( { size 24{H} } rSub { size 8{a} } - [ { size 24{H} } rSub { size 8{ ital "ck"} } ] ) ( { {n} over { { size 24{n} } rSub { size 8{ ital "tk"} } } } ) rSup { size 8{2} } right rbrace } {};
- Khi đặt máy bơm ở độ cao Ñ size 12{Ñ} {} 0 thì: Ha=10,33−Ñ900 size 12{ { size 24{H} } rSub { size 8{a} } ="10","33"- { {Ñ} over {"900"} } } {}.
Ta còn có thể tra Ha size 12{ { size 24{H} } rSub { size 8{a} } } {} ở các cao độ theo bảng ( 5 -1 ) và Hhh size 12{ { size 24{H} } rSub { size 8{ ital "hh"} } } {} theo bảng ( 5 - 2 ):
Bảng ( 5 - 1)
Độ cao so mặt chuẩn | 0 | 100 | 200 | 300 | 400 | 500 | 600 |
Ha size 12{ { size 24{H} } rSub { size 8{a} } } {} ( m ) | 10,33 | 10,2 | 10,1 | 10 | 9,8 | 9,7 | 9,6 |
Độ cao so mặt chuẩn | 700 | 800 | 900 | 1000 | 1500 | 2000 | |
Ha size 12{ { size 24{H} } rSub { size 8{a} } } {} ( m ) | 9,5 | 9,4 | 9,3 | 9,2 | 8,6 | 8,4 |
Bảng ( 5 - 2 )
Nhiệt độmôi trường 0C | 5 | 10 | 20 | 30 | 40 | 50 |
Hhh size 12{ { size 24{H} } rSub { size 8{ ital "hh"} } } {} ( m cột nước ) | 0,09 | 0,12 | 0,24 | 0,43 | 0,75 | 1,25 |
Nhiệt độmôi trường 0C | 60 | 70 | 80 | 90 | 100 | |
Hhh size 12{ { size 24{H} } rSub { size 8{ ital "hh"} } } {} ( m cột nước ) | 2,02 | 3,17 | 4,82 | 7,14 | 10,33 |
Bơm li tâm sử dụng độ chân không [Hck] size 12{ [ { size 24{H} } rSub { size 8{ ital "ck"} } ] } {}để xác định độ cao hút cho phép [ hs] size 12{ { size 24{h} } rSub { size 8{s} } ] } {}.
Tính độ cao hút theo độ dự trữ khí thực Dh size 12{Dh} {}:
Bơm hướng trục dùng độ dự trữ khí thực tới hạn cho phép Dh size 12{Dh} {} để tính độ cao hút cho phép [ hs] size 12{ { size 24{h} } rSub { size 8{s} } ] } {}. Hình 5 - 3, ta đã viết phương trình Becnully cho hai mặt cắt 0 - 0 và điểm K và đã có được công thức ( 5 - 1 ), chuyển vế ta có:
p a g = p k g ¸ C k 2 2g ¸ h s k ¸ h msh ¸ h msvk size 12{ {} rSup { size 8{ { { { size 10{p} } rSub { size 6{a} } } over {g} } = { { { size 10{p} } rSub { size 6{k} } } over {g} } ¸ { { { size 10{C} } rSub { size 6{k} } rSup { size 6{2} } } over {2g} } ¸ { size 10{h} } rSub { size 6{s} } rSup { size 6{k} } ¸ { size 10{h} } rSub { size 6{ ital "msh"} } ¸ { size 10{h} } rSub { size 6{"msvk"} } } } } {}
nếu đặt Hs=hmsh¸hsk size 12{ { size 24{H} } rSub { size 8{s} } = { size 24{h} } rSub { size 8{ ital "msh"} } ¸ { size 24{h} } rSub { size 8{s} } rSup { size 8{k} } } {}. trong đó như đã biết hsk size 12{ { size 24{h} } rSub { size 8{s} } rSup { size 8{k} } } {} là độ cao hút từ mực nước bể hút đến điểm K đang nghiên cứu, còn hmsh size 12{ { size 24{h} } rSub { size 8{ ital "msh"} } } {} là tổn thất cột cột nước trong ống hút. Vậy ta có:
pag=pkg¸Ck22g¸Hs¸hmsvk size 12{ {} rSup { size 8{ { { { size 10{p} } rSub { size 6{a} } } over {g} } = { { { size 10{p} } rSub { size 6{k} } } over {g} } ¸ { { { size 10{C} } rSub { size 6{k} } rSup { size 6{2} } } over {2g} } ¸ { size 10{H} } rSub { size 6{s} } ¸ { size 10{h} } rSub { size 6{"msvk"} } } } } {}( * )
Thành phần tổn thất thủy lực từ cửa vào BXCT đến điểm K ( hmsvk size 12{ { size 24{h} } rSub { size 8{ ital "msvk"} } } {}) với khoảng cách ngắn do đó chỉ xét đến tổn thất cục bộ, nên :
h msvk = λ ⋅ W k 2 2g size 12{ { size 24{h} } rSub { size 8{ ital "msvk"} } =λ cdot { { { size 24{W} } rSub { size 8{k} } rSup { size 8{2} } } over {2g} } } {}
Trong đó : Wk size 12{ { size 24{W} } rSub { size 8{k} } } {}là vận tốc tương đối của chất lỏng tại điểm K trên BXCT; λ size 12{λ} {}là hệ số tính đến việc giảm áp lực thủy tĩnh, hệ số này phụ thuộc vào biên dạng cánh, hệ số tỷ tốc và các yếu tố khác, thường vào khoảng 0,2 ... 0,4 .
Thay trị số hmsvk size 12{ { size 24{h} } rSub { size 8{ ital "msvk"} } } {} vào ( * ) rồi chuyển đổi công thức ta có ta có :
Hs=pag−pkg−Ck2¸λWk22g size 12{ { size 24{H} } rSub { size 8{s} } = { { { size 24{p} } rSub { size 8{a} } } over {g} } - { { { size 24{p} } rSub { size 8{k} } } over {g} } - { { { size 24{C} } rSub { size 8{k} } rSup { size 8{2} } ¸λ { size 24{W} } rSub { size 8{k} } rSup { size 8{2} } } over {2g} } } {}= Ha−Hk−Ck2¸λWk22g size 12{ { size 24{H} } rSub { size 8{a} } - { size 24{H} } rSub { size 8{k} } - { { { size 24{C} } rSub { size 8{k} } rSup { size 8{2} } ¸λ { size 24{W} } rSub { size 8{k} } rSup { size 8{2} } } over {2g} } } {}( ** )
Điều kiện phát sinh khí thực tại K khi Hk=Hhh size 12{ { size 24{H} } rSub { size 8{k} } = { size 24{H} } rSub { size 8{ ital "hh"} } } {} và lúc này Hs size 12{ { size 24{H} } rSub { size 8{s} } } {}đạt tới hạn Hsth size 12{ left ( { size 24{H} } rSub { size 8{s} } right ) rSub { size 8{ ital "th"} } } {}
Hsth= size 12{ left ( { size 24{H} } rSub { size 8{s} } right ) rSub { size 8{ ital "th"} } ={}} {}Ha−Hk−(Ck2¸λWk22g)th size 12{ { size 24{H} } rSub { size 8{a} } - { size 24{H} } rSub { size 8{k} } - ( { { { size 24{C} } rSub { size 8{k} } rSup { size 8{2} } ¸λ { size 24{W} } rSub { size 8{k} } rSup { size 8{2} } } over {2g} } ) rSub { size 8{ ital "th"} } } {} = [hs]¸hmsh size 12{ [ { size 24{h} } rSub { size 8{s} } ] ¸ { size 24{h} } rSub { size 8{ ital "msh"} } } {}( *** )
Thành phần (Ck2¸λWk22g)th size 12{ ( { { { size 24{C} } rSub { size 8{k} } rSup { size 8{2} } ¸λ { size 24{W} } rSub { size 8{k} } rSup { size 8{2} } } over {2g} } ) rSub { size 8{ ital "th"} } } {} = Dhth size 12{D { size 24{h} } rSub { size 8{ ital "th"} } } {}, được gọi là " độ dự trữ khí thực tới hạn". Điều kiện để không phát sinh khí thực là độ dự trữ khí thực được chọn phải lớn hơn Dhth size 12{D { size 24{h} } rSub { size 8{ ital "th"} } } {}.Từ công tức ( *** ) ta rút ra được [ hs] size 12{ { size 24{h} } rSub { size 8{s} } ] } {}theo độ dự trữ cho phép Dh size 12{Dh} {}= k. Dhth size 12{D { size 24{h} } rSub { size 8{ ital "th"} } } {} như sau:
[ hs]=Ha−Hhh−Dh−hmsh size 12{ { size 24{h} } rSub { size 8{s} } ] = { size 24{H} } rSub { size 8{a} } - { size 24{H} } rSub { size 8{ ital "hh"} } -Dh- { size 24{h} } rSub { size 8{ ital "msh"} } } {}( 5 - 4 )
Trong công thức ( 5 - 4 ), độ dự trữ khí thực cho phép Dh size 12{Dh} {}tra được từ đường đặc tính của máy bơm và cũng chú ý rằng trị số này vẽ ra từ thực nghiệm ở điều kiện chuẩn, do vậy cũng phải tiến hành hiệu chỉnh cho điều kiện thực tế, cách hiệu chỉnh cũng giống như đã trình bày trong công thức tính đối với bơm li tâm.
Trị số Dh size 12{Dh} {} là độ dự trữ khí thực cho phép nhỏ nhất để không sinh khí thực. Để an toàn hơn còn yêu cầu nhân Dhth size 12{D { size 24{h} } rSub { size 8{ ital "th"} } } {} với hệ số an toàn k 1,15 . Để hiểu thêm về Dh size 12{Dh} {}ta hãy xem thí nghiệm khí thực qua các giai đoạn như Hình ( 5 - 6 ) phần cuối chương này.
Trường hợp trong đường đặc tính của máy bơm không vẽ đường Dh size 12{Dh} {}- H - Q ta có thể dùng công thức của C.C. Rút nhép ( Nga ) sau Đây:
Dh=10⋅(n⋅QCth)4/3 size 12{Dh="10" cdot ( { {n cdot sqrt {Q} } over { { size 24{C} } rSub { size 8{ ital "th"} } } } ) rSup { size 8{4/3} } } {}( 5 - 5 )
Cth size 12{ { size 24{C} } rSub { size 8{ ital "th"} } } {} : là hệ số tỷ tốc khí thực, đối với máy bơm li tâm thông thường, lấy như sau:
ns | 50 ... 70 | 70 ... 80 | 80 ... 150 | 150 ... 250 |
Cth | 600 ... 750 | 800 | 800 ... 1000 | 1000 ... 1200 |
Ngoài ra, Tôm còn đưa ra công thức gần đúng khác:
Dh=sth⋅H size 12{Dh= { size 24{s} } rSub { size 8{ ital "th"} } cdot H} {}( 5 - 6 )
Trong đó: hệ số khí thực sth size 12{ { size 24{s} } rSub { size 8{ ital "th"} } } {} xác định theo các công thức thực nghiệm sau:
- Theo Stêpanốp: sth size 12{ { size 24{s} } rSub { size 8{ ital "th"} } } {}= 2,2. 10−4⋅ns4/3 size 12{ { size 24{"10"} } rSup { size 8{-4} } cdot { size 24{n} } rSub { size 8{s} } rSup { size 8{4/3} } } {} ;
- Theo Escher - Wyss: sth size 12{ { size 24{s} } rSub { size 8{ ital "th"} } } {}= 2,16. 10−4⋅ns4/3 size 12{ { size 24{"10"} } rSup { size 8{-4} } cdot { size 24{n} } rSub { size 8{s} } rSup { size 8{4/3} } } {}
Đối với bơm hai cửa vào: sth size 12{ { size 24{s} } rSub { size 8{ ital "th"} } } {}= 1,37. 10−4⋅ns4/3 size 12{ { size 24{"10"} } rSup { size 8{-4} } cdot { size 24{n} } rSub { size 8{s} } rSup { size 8{4/3} } } {};
- Theo Viện nghiên cứu thủy lực Liên Xô (cũ):
sth size 12{ { size 24{s} } rSub { size 8{ ital "th"} } } {} = 2,05. 10−4⋅ns4/3 size 12{ { size 24{"10"} } rSup { size 8{-4} } cdot { size 24{n} } rSub { size 8{s} } rSup { size 8{4/3} } } {} .
Sau khi tính Dh size 12{Dh} {}ta nhân thêm hệ số k = 1,15.
Bổ sung thêm công thức đồng dạng về độ dự trữ khí thực:
DhDhm=iD2⋅in2 size 12{ { { { size 24{D} } rSub { size 8{h} } } over { { size 24{D} } rSub { size 8{ ital "hm"} } } } = { size 24{i} } rSub { size 8{D} } rSup { size 8{2} } cdot { size 24{i} } rSub { size 8{n} } rSup { size 8{2} } } {}( 5 - 7 )
Xác định cao trình đặt máy bơm ( đm )
Cao trình đặt máy bơm phải thỏa mãn yêu cầu an toàn khí thực trong mọi chế độ vận hành và cũng không đặt quá thấp để tránh tăng khối lượng công trình. Để chọn cao trình đặt máy trước tiên ta dùng lưu lượng và cột nước thiết kế để tính, sau đó kiểm tra trạng thái làm việc khác phải bảo đảm chống được khí thực.
1. Xác định cao trình đặt máy theo trạng thái thiết kế:
Từ công thức ( 5 - 2 ) ta viết:
đm Zbhmin¸[hs] size 12{ { size 24{Z} } rSub { size 8{ ital "bh""min"} } ¸ [ { size 24{h} } rSub { size 8{s} } ] } {}( 5 - 8 )
Trong đó: Zbhmin size 12{ { size 24{Z} } rSub { size 8{ ital "bh""min"} } } {}là mực nước thấp nhất trong bể hút.
[hs] size 12{ [ { size 24{h} } rSub { size 8{s} } ] } {}độ cao hút cho phép, tính theo trạng thái thiết kế, dùng ( 5 - 3 ) - đối với máy bơm li tâm, dùng ( 5 - 4 ) - đối với máy bơm hướng trục.
2. Kiểm tra cao trình đặt máy ở các chế độ làm việc khác:
Xác định đm theo công thức ( 5 - 8 ) đảm bảo không sinh khí thực khi máy bơm làm việc ở chế độ thiết kế. Để bảo đảm rằng khi máy bơm làm việc ở các chế độ khác chế độ thiết kế vẫn bảo đảm không phát sinh khí thực ta còn phải kiểm tra khí thực ở các chế độ giới hạn là chế độ làm việc với Hmax size 12{ { size 24{H} } rSub { size 8{"max"} } } {} và Hmin size 12{ { size 24{H} } rSub { size 8{"min"} } } {} nữa :
Gọi cao trình đặt máy bơm không sinh khí thực ở chế độ cột nước Hmax size 12{ { size 24{H} } rSub { size 8{"max"} } } {}là Ñdm' size 12{ { size 24{Ñ} } rSub { size 8{ ital "dm"} } rSup { size 8{'} } } {}:
Ñdm' size 12{ { size 24{Ñ} } rSub { size 8{ ital "dm"} } rSup { size 8{'} } } {}= Zbhmin¸[hs] size 12{ { size 24{Z} } rSub { size 8{ ital "bh""min"} } ¸ [ { size 24{h} } rSub { size 8{s} } ] } {}( 5 - 9 )
Độ cao hút cho phép [ hs] size 12{ { size 24{h} } rSub { size 8{s} } ] } {}cũng tính giống như trên, nhưng sử dụng Hmax size 12{ { size 24{H} } rSub { size 8{"max"} } } {} để tra độ chân không cho phép [ Hck] size 12{ { size 24{H} } rSub { size 8{ ital "ck"} } ] } {} ( hoặc độ dự trữ khí thực cho phép Dh size 12{ { size 24{D} } rSub { size 8{h} } } {} ) và lưu lượng tương ứng trong công thức ( 5 - 3 ) hoặc ( 5 - 4 ).
Gọi cao trình đặt máy bơm không sinh khí thực ở chế độ cột nước Hmin size 12{ { size 24{H} } rSub { size 8{"min"} } } {} là } } } {}Ñdm size 12{ { size 24{Ñ} } rSub { size 8{ ital "dm"} } rSup { size 8{"} } } {}:
} } = { size 24{Z} } rSub { size 8{ ital bhmax} } + [ { size 24{h} } rSub { size 8{s} } ] } {}Ñdm size 12{ { size 24{Ñ} } rSub { size 8{ ital "dm"} } rSup { size 8{"} } = { size 24{Z} } rSub { size 8{ ital "bh""max"} } + [ { size 24{h} } rSub { size 8{s} } ] } {}( 5 - 10 )
Trong công thức ( 5 - 10 ): Zbhmax size 12{ { size 24{Z} } rSub { size 8{ ital "bh""max"} } } {}là mực nước cao nhất trong bể hút. Cũng từ cột nước Hmin size 12{ { size 24{H} } rSub { size 8{"min"} } } {} ta tra ra [ Hck] size 12{ { size 24{H} } rSub { size 8{ ital "ck"} } ] } {} ( hoặc độ dự trữ khí thực cho phép Dh size 12{ { size 24{D} } rSub { size 8{h} } } {} ) và lưu lượng tương ứng trong công thức ( 5 - 3 ) hoặc ( 5 - 4 ).
Cao trình đặt máy bơm theo trạng thái thiết kế nếu đm Ñdm' size 12{ { size 24{Ñ} } rSub { size 8{ ital "dm"} } rSup { size 8{'} } } {} và } } } {}Ñdm size 12{ { size 24{Ñ} } rSub { size 8{ ital "dm"} } rSup { size 8{"} } } {}, đồng thời thỏa mãn yêu cầu của nhà máy chế tạo về độ nhúng BXCT dưới mực nước thấp nhất ở bể hút một độ sâu hs<0 size 12{ { size 24{h} } rSub { size 8{s} } <0} {} ( đối với bơm hướng trục ) thì đm được chọn an toàn.
Mục đích của việc thí nghiêm khí thực là xác định độ cao hút cho phép và quan hệ của nó đối với các thông số khác của máy bơm như H, Q, N, . Cùng với thí nghiệm vẽ các đường đặc tính H - Q, N - Q, - Q ( như đã trình bày ở phần trước ), kết quả thí nghiệm khí thực vẽ ra được các đường đặc tính [ Hck] size 12{ { size 24{H} } rSub { size 8{ ital "ck"} } ] } {}- Q và Dh size 12{Dh} {} - Q.
Có hai loại thiết bị thí nghiệm khí thực là thiết bị thí nghiệm hở ( như đối với thí nghiệm xác định H, Q, N trình bày phần trước ) và thiết bị thí nghiệm kín ( Hình 5 - 5 ):
Hình 5 - 5. Thiết bị thí nghiệm khí thực kiểu kín.
Trong thiết bị thí nghiệm khí thực kiểu hở, ta dùng cửa van đặt trên ống hút để tăng dần tổn thất trên ống hút, làm áp suất cửa vào máy bơm giảm nhỏ dần cho đến khi sinh khí thực. Thiết bị này đơn giản nhưng kém chính xác.
Thiết bị thí nghiệm kiểu kín chính xác hơn thí nghiệm hở, nó là một hệ thống trong đó nước chảy theo vòng khép kín, gồm có : máy bơm 1, ống hút, van điều chỉnh 6, ống đẩy, thiết bị đo lưu lượng 4, van ống đẩy 5, bình kín 2 chứa đầy khí bên trên, bơm chân không 3, nhiệt kế để 9, van thông với khí trời 11... Bơm chân không 3 được nối với bình kín 2 để hút không khí trong bình nhằm làm giảm áp suất trong hệ thống mà không phá hoại chế độ làm việc của máy bơm. Dùng van ống đẩy 5 để điều chỉnh lưu lượng Q, khống chế lưu lượng không đổi cho từng mức thí nghiệm. Dùng chân không kế 7 để đo chân không trong ống hút.
Tiến hành thí nghiệm, với mỗi mức Q cho ta một trị số dự trữ khí thực Dh size 12{Dh} {}, với nhiều mức lưu lượng Q tương ứng có nhiều Dh size 12{Dh} {} ta vẽ ra được đường đặc tính Dh size 12{Dh} {} - Q (cho máy bơm hướng trục ), và từ từng cặp Dh size 12{Dh} {}- Q ta cũng có thể tính ra [ Hck] size 12{ { size 24{H} } rSub { size 8{ ital "ck"} } ] } {}:
[ H ck ] = p a − p hh g − C 1 2 2g − Dh size 12{ [ { size 24{H} } rSub { size 8{ ital "ck"} } ] = { { { size 24{p} } rSub { size 8{a} } - { size 24{p} } rSub { size 8{ ital "hh"} } } over {g} } - { { { size 24{C} } rSub { size 8{1} } rSup { size 8{2} } } over {2g} } -Dh} {}
Hình 5 - 6. Diễn biến H = f ( Dh size 12{Dh} {}).
và vẽ đường đặc tính độ chân không cho phép [ Hck] size 12{ { size 24{H} } rSub { size 8{ ital "ck"} } ] } {}- Q ( cho máy bơm li tâm ).
Các bước tiến hành thí nghiệm khí thực như sau:
- Dùng van ống đẩy 5 để mở một mức lưu lượng không đổi Q = hằng số và giữ cho máy bơm làm việc với trị số vòng quay không đổi suốt quá trình;
- Dùng bơm chân không 3 để tăng độ chân không trong bình kín 2, chân không kế 7 đo được các trị số chân không thay đổi.
- Dùng áp lực kế vi sai 8 đo Dh size 12{Dh} {}.
Từ kết quả thí nghiệm ( Hình 5 - 6 ) ta thấy:
+ Trong phạm vi vùng 1 chỉ số chân không thay đổi nhưng H = f ( Dh size 12{Dh} {}) vẫn không thay đổi, vùng này chưa phát sinh khí thực;
+ Tiếp tục giảm áp suất trong bình tới một trị số nào đó ( ứng với DhI size 12{D { size 24{h} } rSub { size 8{I} } } {}) xuất hiện tiếng động, biểu hiện của khí thực, tuy nhiên H ( và kéo theo N) chưa thay đổi rõ rệt. Tiếp tục làm việc lâu với tình trạng này sẽ có xói mòn khí thực ( vùng 2 ). Do vậy chỉ cho phép kéo dài tình trạng này trong thời gian rất ngắn. Ta lấy Dh size 12{Dh} {} = DhI size 12{D { size 24{h} } rSub { size 8{I} } } {} làm chế độ tới hạn thứ nhất;
+ Tiếp tục giảm áp suất, khi Dh size 12{Dh} {} giảm đến DhII size 12{D { size 24{h} } rSub { size 8{"II"} } } {}= Dhth size 12{D { size 24{h} } rSub { size 8{ ital "th"} } } {} ( giữa vùng 2 và 3 ) thì H bắt đầu giảm mạnh. Không cho phép máy bơm làm việc trong vùng này. Lấy độ dự trữ khí thực DhII size 12{D { size 24{h} } rSub { size 8{"II"} } } {}= Dhth size 12{D { size 24{h} } rSub { size 8{ ital "th"} } } {} làm chế độ tới hạn thứ hai, và DhII size 12{D { size 24{h} } rSub { size 8{"II"} } } {}được gọi là " độ dự trữ khí thực tới hạn " với dấu hiệu cột nước giảm đột ngột 2% H.
Độ dự trữ khí thực cho phép được tính theo công thức:
Dh=A⋅Dhth size 12{Dh=A cdot D { size 24{h} } rSub { size 8{ ital "th"} } } {}= a ks⋅kl size 12{ cdot { size 24{k} } rSub { size 8{s} } cdot { size 24{k} } rSub { size 8{l} } } {}. Dhth size 12{D { size 24{h} } rSub { size 8{ ital "th"} } } {}( 5 - 11 )
Trong đó A là hệ số an toàn, A = a ks⋅kl size 12{ cdot { size 24{k} } rSub { size 8{s} } cdot { size 24{k} } rSub { size 8{l} } } {} theo bảng sau đây:
D h th size 12{D { size 24{h} } rSub { size 8{ ital "th"} } } {} | 0 | 2 | 4 | 6 | 7 | 8 | 10 | 12 | 14 | 16 |
a | 1,60 | 1,37 | 1,20 | 1,13 | 1,10 | 1,09 | 1,08 | 1,07 | 1,06 | 1,06 |
Hệ số ks size 12{ cdot { size 24{k} } rSub { size 8{s} } } {} phụ thuộc vào tỷ tốc , gần đúng có thể tra bảng sau:
D2/D0 | 1,0 | 1,25 | 1,50 | 2,0 | 2,5 | 3,0 |
k s size 12{ { size 24{k} } rSub { size 8{s} } } {} | 1,1 | 1,1 | 1,094 | 1,052 | 1,014 | 1,0 |
Hệ số kl size 12{ { size 24{k} } rSub { size 8{l} } } {} = 1 đối với chất lỏng cần bơm là nước.
Với mỗi mức Q = hằng số ta vẽ được đường H = f ( Dh size 12{Dh} {}) và chọn ra được một trị số Dhth size 12{D { size 24{h} } rSub { size 8{ ital "th"} } } {} rồi tính ra được độ dự trữ khí thực cho phép Dh size 12{Dh} {} theo công thức ( 5 - 11 ) được một cặp Q, Dh size 12{Dh} {}. Với nhiều mức Q khác cũng làm tương tự cũng sẽ được các cặp Q, Dh size 12{Dh} {}khác . Nối các điểm ấy lại ta vẽ được đường đặc tính độ dự trữ khí thực ( hoặc độ chân không cho phép ).